郁國(guó)梁,馬紫荊,呂自立,劉彬
(新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,新疆特殊環(huán)境物種多樣性應(yīng)用與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054)
土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的主要載體,是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需養(yǎng)分的主要來(lái)源,氣候條件、水分狀況、凋落物分解、土壤菌群,尤其是海拔和土壤理化性質(zhì)會(huì)對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量產(chǎn)生顯著影響[1-3]。以往的研究多集中在低、中海拔地區(qū),探究不同植被類型和海拔下的土壤化學(xué)計(jì)量特征:Jiang 等[4]在對(duì)戴云山海拔900~1700 m 土壤化學(xué)計(jì)量特征的研究中發(fā)現(xiàn)較高海拔地區(qū)土壤碳、氮含量高于低海拔地區(qū),磷含量隨海拔的升高而波動(dòng)。劉莉等[5]研究發(fā)現(xiàn)土壤中的氮決定了滇西北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的土壤化學(xué)計(jì)量比的變化。Hu 等[6]研究發(fā)現(xiàn)土壤碳、氮含量、碳氮比、碳磷比和氮磷比隨海拔升高而增大,而磷含量沒有顯著變化。土壤中除碳、氮、磷具有重要生態(tài)價(jià)值外,鉀也是維持土壤與植物體養(yǎng)分循環(huán)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素,其在維持植物體細(xì)胞滲透平衡、光合作用、提高水分利用效率和降低水分流失等方面具有重要作用[7-8]。由于中低海拔的局域限制以及對(duì)土壤鉀元素研究的不足,急需探究高海拔地區(qū)土壤化學(xué)計(jì)量特征,尤其是鉀及其化學(xué)計(jì)量比的分布。
探究土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響因子對(duì)于深入了解土壤化學(xué)計(jì)量分布,改善草場(chǎng)土壤養(yǎng)分條件具有重要意義。Wang 等[9]研究發(fā)現(xiàn)草地退化降低了青藏高原土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮含量和碳磷比、氮磷比。Tian 等[3]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分控制整個(gè)西藏草地土壤化學(xué)計(jì)量特征。目前對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量的影響因子研究主要集中在土壤理化性質(zhì)和氣候條件,而忽略了不同生活型植物多樣性的影響。有研究表明灌木可以影響沙漠生態(tài)系統(tǒng)中苔蘚和土壤的化學(xué)計(jì)量[10],由于不同生活型,不同物種對(duì)于土壤養(yǎng)分的吸收策略不同,灌木和草本層群落的物種組成及其多樣性對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量分布會(huì)有非常顯著的影響[4]。綜上所述,在對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量影響因子的研究中應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮土壤理化性質(zhì)和植物群落,這也是以往研究中存在的不足。
因此,本研究以天山中段南坡巴倫臺(tái)地區(qū)海拔2200~3550 m 處土壤及植物群落為研究對(duì)象,分析土壤碳、氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量特征及其沿海拔分布的變化規(guī)律。旨在闡明:1)巴倫臺(tái)地區(qū)天然草場(chǎng)土壤化學(xué)計(jì)量分布特征;2)土壤C、N、P、K 及其化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性;3)海拔、土壤理化性質(zhì)及植物群落對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量的影響。研究結(jié)果可以揭示天山中段南坡巴倫臺(tái)地區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其隨海拔的變化規(guī)律,并補(bǔ)充高海拔地區(qū)土壤 C、N、P、K 地球化學(xué)循環(huán)特征,為天山中段南坡巴倫臺(tái)地區(qū)天然草場(chǎng)土壤和植物群落生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。
巴倫臺(tái)位于新疆巴州和靜縣北部山區(qū)(82°06′-87°55′ E、42°05′-43°30′ N),地處天山中段南坡的峽谷地帶,騰格爾峰南側(cè),區(qū)域總面積5002.67 km2,天然草場(chǎng)面積2133.33 km2,屬于溫帶大陸性氣候,光熱資源豐富,溫差較大,日照充足,無(wú)霜期長(zhǎng),蒸發(fā)旺盛;多年平均氣溫7.0 ℃;年平均無(wú)霜期178 d,最多達(dá)244 d;年平均日照時(shí)數(shù)2400~2700 h;年平均降水量150.0~350.7 mm,降水多集中在每年5-8 月[11]。海拔2200~3000 m 處優(yōu)勢(shì)灌木有駝絨藜(Ceratoides latens)、藍(lán)枝麻黃(Ephedra glauca)、鬼箭錦雞兒(Caragana jubata)、小葉金露梅(Potentilla parvifolia)。優(yōu)勢(shì)草 本植物 有芨芨 草(Achnatherum splendens)、米瓦罐(Silene conoidea)、大賴草(Leymus racemosus)、天山黃耆(Astragalus lepsensis)、披堿草(Elymus dahuricus)、酸模(Rumex acetosa)、亞歐唐松草(Thalictrum minus)等。海拔3000 m 以上灌木消失,優(yōu)勢(shì)種有林地早熟禾(Poa nemoralis)、黑花薹草(Carex melanantha)、細(xì)果薹草(Carex stenocarpa)、鉆葉風(fēng)毛菊(Saussurea subulata)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)、大紅紅景天(Rhodiola coccinea)、天山羽衣草(Alchemilla tianschanica)等[12]。
1.2.1 樣方設(shè)置 根據(jù)研究區(qū)的地形、氣候、植被、土壤類型等特點(diǎn),選擇天山中段南坡巴侖臺(tái)地區(qū)所在山區(qū)的典型垂直植被帶設(shè)置樣地。2019 年7 月,在研究區(qū)的垂直植被帶內(nèi),沿海拔梯度設(shè)置了10 個(gè)樣點(diǎn),各樣點(diǎn)海拔依次為2200、2350、2500、2650、2800、2950、3100、3250、3400 和3550 m,每個(gè)海拔樣點(diǎn)均設(shè)置3 個(gè)樣地,樣地面積為20 m×30 m,樣地信息見圖1。在樣地范圍內(nèi),選取3 個(gè)5 m×5 m 的灌木樣方,記錄灌木的種名、叢數(shù)、高度和蓋度。在每個(gè)灌木樣方取5 個(gè)1 m×1 m 的草本樣方,調(diào)查草本植物的種名、數(shù)量、平均高度和蓋度。共計(jì)30 個(gè)樣地,90 個(gè)灌木樣方,450 個(gè)草本樣方。
1.2.2 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定 每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取5 個(gè)樣點(diǎn),采集0~20 cm 表層土壤的土壤樣品,每個(gè)土樣250 g,按照樣地將土樣混合,取500 g 裝入土壤盒,帶回實(shí)驗(yàn)室分析。采用電位測(cè)定法測(cè)定土壤pH,pH 計(jì)為PHS-3C 型(上海);采用殘?jiān)娓?質(zhì)量法測(cè)定土壤總鹽(total soil salt, TS)含量;采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)含量;采用高氯酸-硫酸消化法測(cè)定土壤全氮(soil total nitrogen, TN)含量;采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷(soil total phosphorus, TP)含量;采用酸溶-火焰光度法測(cè)定土壤全鉀(soil total potassium, TK)含量;采用堿解蒸餾法測(cè)定土壤有效氮(soil available nitrogen, AN)含量;采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷(soil available phosphorus, AP)含量;采用NH4OAc 浸提-火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀(soil available potassium, AK)含量。土樣處理及指標(biāo)測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)化分析》[13]。
采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同海拔之間土壤理化性質(zhì)、化學(xué)計(jì)量和植物群落Margalef 豐富度指數(shù)的差異顯著性,采用Duncan 檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較;采用單因素Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)不滿足正態(tài)分布的因子(土壤總鹽含量),使用Dunn’s test 進(jìn)行多重比較;對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換使其全部滿足正態(tài)分布后,采用Pearson相關(guān)性分析研究土壤化學(xué)計(jì)量之間的相關(guān)性;通過(guò)“vegan”包計(jì)算草本層和灌木層Margalef 豐富度指數(shù)并進(jìn)行冗余分析(redundancy analysis,RDA)檢驗(yàn)土壤化學(xué)計(jì)量與土壤理化性質(zhì)、植物群落之間的相關(guān)性,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)確定對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量整體有顯著影響的因子;在去除自變量共線性后,采用逐步回歸分析,利用赤池信息準(zhǔn)則(akaike information criterion, AIC)確定單個(gè)土壤化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的最優(yōu)回歸方程,找出對(duì)其有顯著影響的因子。所有數(shù)據(jù)分析均在R 4.1.1 軟件中進(jìn)行。
在海拔2200~2500 m,隨海拔升高,SWC 和TS 逐漸增大(表1)。SWC 在3550 m 處達(dá)到最高;TS 在海拔2500 m 處達(dá)到最高,在海拔2950 m 處由2800 m 處的12.17 g·kg-1驟降為1.83 g·kg-1,這可能與在海拔2950 m 處植物群落灌木層消失有關(guān)。各海拔間灌木層Margalef 豐富度(Margalefs)和草本層Margalef 豐富度(Margalefh)指數(shù)無(wú)顯著差異(P>0.05)。SOC、TN、AN 隨海拔升高總體呈逐漸增大趨勢(shì),且在3400 m 處達(dá)到最大值,3550 m處有一定降低。TP、TK、AP、AK 隨海拔升高沒有明顯變化趨勢(shì),其中2650 m 處TP 顯著低于2350、2950 和3400 m 處。AP 在2350 m 處達(dá)到最大值,且顯著高于其他海拔。AK 在2200 m 處最低,顯著低于除2800、3250 和3550 m 外的所有海拔(P<0.05)。
表1 土壤理化性質(zhì)、化學(xué)計(jì)量與植物群落的海拔特征Table 1 Altitude characteristics of soil physicochemical properties, stoichiometry and plant community
C/P、C/K、N/P 和N/K 均隨海拔升高呈先增大后減小趨勢(shì),除N/P 外均在3400 m 處達(dá)到最大值(圖2)。其中2200 m 處C/P 顯著低于3100、3250、3400 和3550 m 處,C/K 顯著低于2350、2950、3100、3250、3400 和3550 m處,N/K 顯著低于2350、2950、3100、3250 和3400 m 處。2200、2500 和2800 m 處N/P 顯著低于2350、2650、2950、3100、3250 和3400 m 處(P<0.05)。C/N 和P/K 隨海拔呈波浪式變化,2950 m 處C/N 顯著低于3100、3400 和3550 m 處,2200、2500 和3250 m 處P/K 顯著低于2350、2800、2950 和3400 m 處(P<0.05)。
圖2 土壤化學(xué)計(jì)量比的海拔特征Fig.2 Altitude characteristics of soil stoichiometric ratio
Pearson 相關(guān)性分析可知(圖3),SOC 與除P/K 外的所有化學(xué)計(jì)量比之間以及TN 與除C/N 外所有化學(xué)計(jì)量比之間均具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,表明SOC、TN 是土壤化學(xué)計(jì)量比變化的主導(dǎo)因素。SOC 與TN 呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與TP、TK 相關(guān)性不顯著,TN 與TP、TK 以及TP 和TK 之間的相關(guān)性均不顯著(P>0.05),說(shuō)明SOC 與TN 在土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量循環(huán)之間具有強(qiáng)烈的耦合關(guān)系,而TP 和TK 則相對(duì)獨(dú)立。
圖3 土壤化學(xué)計(jì)量之間的相關(guān)性Fig.3 Correlation between soil stoichiometry
軸Ⅰ和軸Ⅱ?qū)ν寥捞肌⒌⒘?、鉀含量及其化學(xué)計(jì)量比與其影響因子關(guān)系的解釋變量分別為66.69%和21.22%,累計(jì)為87.91%,說(shuō)明前2 軸能夠較好地解釋土壤碳、氮、磷、鉀含量及其化學(xué)計(jì)量比與其影響因子的關(guān)系(圖4)。SOC、TN、AN、C/P、C/K、N/P 和N/K 與海拔呈顯著正相關(guān),而與Margalefs和TS 呈顯著負(fù)相關(guān),TP和P/K 與Margalefh呈顯著正相關(guān),AP 與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),TK 和AK 與土壤理化性質(zhì)和植物群落無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。
圖4 土壤化學(xué)計(jì)量與其影響因子的RDA 排序Fig. 4 RDA ranking of soil stoichiometric indicators and their impact factors
由影響因子的顯著性檢驗(yàn)可知(表2),海拔和Margalefs對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征有極顯著影響(P<0.01),TS 對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量分布有顯著影響(P<0.05)。對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響從大到小依次為:Margalefs>海拔>TS>Margalefh>SWC>pH。
表2 影響因子顯著性檢驗(yàn)Table 2 Significance test of impact factor
通過(guò)逐步回歸分析各土壤化學(xué)計(jì)量的主要影響因素可知(表3),海拔主要影響SOC、TP、AP 以及C/N、C/P、C/K、N/P、N/K,除海拔外,TP 受Margalefs和Margalefh影響較大,SOC、AP 和AK 還受TS 影響。TK 主要受TS的影響,TN 和AN 主要受Margalefs的影響,P/K 主要受Margalefh的影響。
表3 土壤化學(xué)計(jì)量影響因子的逐步回歸分析Table 3 Stepwise regression of main factors affecting soil stoichiometry
土壤養(yǎng)分是高海拔地區(qū)天然草場(chǎng)植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源,植物群落結(jié)構(gòu)、物種組成和多樣性與土壤養(yǎng)分相互影響,并且具有顯著的空間異質(zhì)特征[14]。本研究中,天山中段南坡海拔2200~3550 m 處,SOC、TN、TP 均 值 分 別 為31.72 g·kg-1、3.17 g·kg-1、0.84 g·kg-1,均 高 于 全 國(guó) 平 均 水 平(24.56 g·kg-1、1.88 g·kg-1、0.78 g·kg-1)[15]。SOC、TN、AN 均 隨 海 拔 升 高呈逐漸增大趨勢(shì),主要是因?yàn)镾OC、TN 受植物凋落物影響較大[16],高海拔地區(qū)土壤水分含量高、氣溫低、微生物活性較弱,土壤碳、氮礦化速率較低[17],而低海拔地區(qū)溫度較高,土壤微生物消耗了大量的有機(jī)質(zhì)[18],導(dǎo)致土壤碳、氮含量隨海拔升高逐漸增大。同時(shí)由于在海拔3550 m 處植被稀疏,凋落物減少,使得SOC、TN 出現(xiàn)一定減少。TP、TK、AP 和AK 隨海拔呈波動(dòng)變化,且與SOC、TN 及化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性較弱,主要是因?yàn)橥寥懒租浽刂饕獊?lái)自含磷鉀元素的巖石風(fēng)化以及大氣沉降,受氣候和植被覆蓋率的影響較大[19],這與董廷發(fā)[20]對(duì)不同海拔云南松(Pinus yunnanensis)林土壤養(yǎng)分及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究結(jié)果相似。海拔2500、3400 m 處AK 顯著高于其他海拔,而TK 與其他海拔沒有顯著差異,表明在海拔2500 和3400 m 處土壤鉀元素主要是可利用鉀[20],土壤養(yǎng)分的有效性較高,植物受鉀元素限制的可能性較小。
土壤元素化學(xué)計(jì)量比可以作為土壤養(yǎng)分限制的預(yù)測(cè)性指標(biāo)[15]。本研究C/N、C/P、C/K、N/P、N/K 和P/K 平均值分別為9.92、37.79、2.52、3.79、0.25 和0.07,其中C/N、C/P、N/P 均低于全國(guó)平均水平(11.9、61.0、5.2)[15]。有研究表明,C/N 與有機(jī)質(zhì)分解速率成反比,C/P 反映土壤磷元素的有效利用率,C/P 越低表明土壤磷元素有效性越高[21]。研究區(qū)域C/N、C/P 遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平,表明土壤有機(jī)質(zhì)分解速率較慢,主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)域海拔較高,平均氣溫低于全國(guó)平均水平,土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)的速率也較低;同時(shí)土壤磷有效性較高,有利于本研究區(qū)域植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán), 這也表明本研究區(qū)域土壤形成較晚,可能隨著時(shí)間演變會(huì)逐漸發(fā)展為磷有效性越來(lái)越低,而氮有效性越來(lái)越高[22-23]。
由SOC 與除P/K 外的所有化學(xué)計(jì)量比之間以及TN 與除C/N 外的所有化學(xué)計(jì)量比之間均具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,而土壤磷鉀含量與除P/K 外所有化學(xué)計(jì)量比均無(wú)顯著相關(guān)性可知土壤化學(xué)計(jì)量比主要受SOC、TN 的影響,這與元素含量和化學(xué)計(jì)量比隨海拔變化的結(jié)果相吻合。因此改善研究區(qū)域土壤化學(xué)計(jì)量比可以著重調(diào)節(jié)土壤碳氮含量,但土壤中磷鉀元素的重要性也不可忽視。SOC 與TN 呈顯著正相關(guān), 這與Zhang 等[24]對(duì)中國(guó)北方草原的研究結(jié)果一致, 主要是因?yàn)橥寥捞己偷鼐饕獊?lái)自植物體凋落物的分解[25-27]。本研究區(qū)域土壤磷鉀元素與碳氮元素相關(guān)性不顯著可能是因?yàn)槠鋪?lái)源不同,土壤碳氮主要來(lái)源于凋落物的分解[28],而磷主要來(lái)源于巖石風(fēng)化[29],鉀主要源于巖石風(fēng)化和大氣沉積[19],其來(lái)源的差異也會(huì)導(dǎo)致各元素受環(huán)境影響有一定差異。
由于生態(tài)系統(tǒng)有海拔垂直分布差異,不同海拔條件下植被和土壤化學(xué)計(jì)量特征可以反映氣候和植物多樣性對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量的影響[30],且由于不同地區(qū)具有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)特征,導(dǎo)致其土壤化學(xué)計(jì)量隨海拔變化的特征,以及影響各土壤元素的環(huán)境因子均不同[31]。本研究中,土壤養(yǎng)分主要受海拔的正效應(yīng)影響,受灌木層物種豐富度的負(fù)效應(yīng)影響,主要是因?yàn)楦吆0蔚貐^(qū)溫度較低,微生物活性較弱,其消耗土壤養(yǎng)分的速率降低,同時(shí)灌木層物種豐富度越低,其在植物群落中所占比例越小,草本層所占比例越大,而草本層主要與本研究采集的0~20 cm 表層土壤進(jìn)行養(yǎng)分循環(huán),使得高海拔區(qū)域土壤養(yǎng)分含量更高。草本層和灌木層的不同物種組成導(dǎo)致其凋落物不同,這也是影響土壤化學(xué)計(jì)量的重要因素之一[32]。
同一地區(qū)內(nèi)SOC 反映生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,土壤氮和磷的供應(yīng)量直接決定了植物光合作用的強(qiáng)弱以及生長(zhǎng)速率,C/N、C/P 不僅能反映土壤有效氮、磷元素的供應(yīng)能力,也能反映土壤有機(jī)質(zhì)的氮磷分解速率,N/P 能反映土壤氮磷供應(yīng)的限制[33-34]。逐步回歸分析結(jié)果表明,SOC 和除P/K 外所有化學(xué)計(jì)量比均受海拔的顯著影響,是因?yàn)楹0巫鳛榫C合環(huán)境因子,對(duì)土壤微生物、植物群落等有顯著影響,導(dǎo)致不同海拔凋落物以及微生物分解速率不同[35]。土壤理化性質(zhì)對(duì)TN、TP 及化學(xué)計(jì)量比影響不大,這與Jiang 等[4]對(duì)戴云山不同海拔土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究結(jié)果相反,可能是因?yàn)楸狙芯繀^(qū)域土壤水分充足、酸堿度適中,使土壤養(yǎng)分受水鹽條件等理化性質(zhì)的限制較小,對(duì)此本研究還需測(cè)定更詳細(xì)的土壤理化指標(biāo)做進(jìn)一步研究,以期充分了解本研究區(qū)域土壤化學(xué)計(jì)量與理化性質(zhì)之間的關(guān)系。鉀作為植物體需求量?jī)H次于氮的養(yǎng)分元素,在維持細(xì)胞滲透平衡、光合作用、酶活性、蛋白合成和轉(zhuǎn)運(yùn)、提高水分利用效率和降低水分流失等方面具有重要作用[7,36-38]。TK 和AK 受土壤水鹽含量影響顯著,主要是因?yàn)橥寥琅c植物體水分含量具有緊密的耦合關(guān)系,而鉀可以充分提高植物體的水分利用效率,所以土壤水分可以通過(guò)影響植物體水分含量,進(jìn)而影響植物體對(duì)于土壤鉀元素的吸收,改變土壤鉀元素的含量[39-40]。
通過(guò)對(duì)天山中段南坡巴倫臺(tái)地區(qū)海拔2200~3550 m 處天然草場(chǎng)土壤碳、氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量、理化性質(zhì)及植物群落的研究發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域土壤養(yǎng)分充足,碳氮含量隨海拔升高而增大,磷鉀含量隨海拔升高呈波動(dòng)變化;土壤碳、氮元素之間具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系,而磷、鉀在土壤養(yǎng)分循環(huán)中則相對(duì)獨(dú)立;土壤化學(xué)計(jì)量與海拔呈正相關(guān),而與灌木層物種豐富度和土壤總鹽含量呈負(fù)相關(guān),與土壤水分和pH 相關(guān)性不顯著。綜上所述,研究區(qū)域土壤養(yǎng)分主要分布在高海拔,灌木層物種豐富度較低的地區(qū),海拔既可以直接影響土壤化學(xué)計(jì)量特征,也可以通過(guò)影響植物群落中灌木的物種組成間接影響土壤化學(xué)計(jì)量特征。